花瓶型橋墩豎向開裂成因分析

中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100000

我國(guó)目前建成的跨江特大橋中，引橋多采用整體式箱梁結(jié)構(gòu)。對(duì)于采用整體式箱梁上部結(jié)構(gòu)的橋梁，橋墩通常是選擇整體式實(shí)體墩，有些橋梁為了造型和美觀，將實(shí)體墩做成花瓶型，并設(shè)置裝飾槽增強(qiáng)視覺效果。跨江特大橋的引橋通常采用等跨連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)必須跨越河堤時(shí)，跨徑會(huì)增大，橋梁會(huì)增高，這些交接墩位置就必須采用高差調(diào)整塊來保持橋面標(biāo)高一致。橋墩頂部在支座支反力的作用下會(huì)產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，需要加強(qiáng)鋼筋[1]。高差調(diào)整塊的截面通常為橋墩頂部截面的一半，配筋也沒有橋墩頂部密集，存在運(yùn)營(yíng)期開裂的風(fēng)險(xiǎn)。文章以某高速公路跨江橋的引橋橋墩為例，結(jié)合實(shí)際病害情況對(duì)開裂機(jī)理進(jìn)行分析。

1 工程概述

文章引用的工程實(shí)例為高速公路橋梁，設(shè)計(jì)車道雙向六車道，橋面凈寬33.5m，設(shè)計(jì)車輛荷載為汽車-超20級(jí)、掛車-120級(jí)。

（1）橋墩及高差調(diào)整塊構(gòu)造。出現(xiàn)開裂的橋墩為該橋引橋與過渡孔橋的交接墩，該橋橋墩墩身采用花瓶型矩形截面實(shí)體墩，墩身前后兩側(cè)設(shè)有裝飾槽，墩臺(tái)均設(shè)置承臺(tái)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋墩頂面橫橋向?qū)挾葹?.2m，縱橋向?qū)挾葹?m，截面橫向和縱向?qū)挾染园霃綖?198.17cm的圓弧開始收緊，最終截面橫向?qū)挾葹?.7m，縱橋向?qū)挾葹?.5m。墩頂設(shè)高差調(diào)整塊，調(diào)整塊橫向與橋墩頂面同寬（7.2m），縱向?qū)挾葹?.5m，高度為1.15m。橋墩混凝土標(biāo)號(hào)為30號(hào)。

（2）配筋信息。主筋為直徑28mm的Ⅱ級(jí)鋼筋，為了避免墩身的收縮及溫度裂縫，在墩身及墩頂鋼筋保護(hù)層內(nèi)設(shè)置了鋼筋焊網(wǎng)。高差調(diào)整塊頂面布置了一層直徑22mm的Ⅱ級(jí)鋼筋，間距20cm，側(cè)面布置了一層直徑12mm的Ⅱ級(jí)鋼筋。

2 花瓶型橋墩高差調(diào)整塊開裂現(xiàn)狀

2.1 外觀檢查結(jié)果

該橋分左右兩幅，兩幅的過渡橋墩均發(fā)現(xiàn)開裂，開裂位置發(fā)生在高差調(diào)整塊的裝飾槽，并向下延伸到墩身。

（1）右幅開裂情況。右幅橋墩開裂較嚴(yán)重，共發(fā)現(xiàn)2條開裂嚴(yán)重的裂縫，結(jié)合檢查結(jié)果，繪制的裂縫分布圖如圖1所示，裂縫現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。其中裂縫①開裂情況最為嚴(yán)重，裂縫分布在高差調(diào)整塊的頂面和兩側(cè)面，形成了一條U形裂縫，寬度最大位置達(dá)到6.73mm，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11—2004）[2]中規(guī)定的最大裂縫寬度0.25mm。裂縫在靠近小樁號(hào)方向的橋墩側(cè)面，向下延伸1.5m，超過了高差調(diào)整塊高度。裂縫②形態(tài)相同，但裂縫主要發(fā)展在高差調(diào)整塊側(cè)面，頂面未貫穿開裂，靠近小樁號(hào)方向的橋墩側(cè)面向下延伸2.3m，超過了高差調(diào)整塊高度。

圖1 右幅橋墩高差調(diào)整塊裂縫分布圖（單位：cm）

圖2 裂縫現(xiàn)場(chǎng)照片

（2）左幅開裂情況。左幅過渡墩側(cè)面發(fā)現(xiàn)了兩條開裂嚴(yán)重的裂縫，均位于裝飾槽內(nèi)，裂縫位置及形態(tài)與上游側(cè)過渡墩一致，但是裂縫寬度小于上游側(cè)過渡墩。裂縫①最大寬度1.10mm，長(zhǎng)度為155cm；裂縫②最大寬度0.75mm，長(zhǎng)度為300cm。由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件限制，未對(duì)大樁號(hào)側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 無損檢測(cè)結(jié)果

（1）鋼筋位置檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋位置檢查情況，對(duì)比原橋設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)際鋼筋分布與原設(shè)計(jì)基本一致，頂面鋼筋原設(shè)計(jì)間距為20cm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)吻合；側(cè)面橫向鋼筋原設(shè)計(jì)間距為22cm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為20cm，考慮到測(cè)量誤差，基本吻合。原設(shè)計(jì)圖紙中最頂層橫向鋼筋保護(hù)層厚度為5cm，而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)頂層鋼筋的保護(hù)層厚度為10cm，即高差調(diào)整塊頂面10cm范圍內(nèi)完全為素混凝土。

（2）混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)回彈儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算（考慮混凝土碳化深度），橋墩混凝土強(qiáng)度為43.4MPa，大于原設(shè)計(jì)C30混凝土的強(qiáng)度。

3 有限元分析

（1）支座支反力計(jì)算。支座支反力從Madis Civil建立的上部結(jié)構(gòu)模型中提取，計(jì)算支反力時(shí)考慮的作用（荷載）包括主梁自重、二期恒載以及活載，活載布置為4車道偏載。支反力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 支座反力 單位：kN

（2）實(shí)體模型建立。花瓶型橋墩受力形式不同于平面桿系結(jié)構(gòu)，且該橋橋墩尺寸較大，為了更加準(zhǔn)確地模擬出橋墩的實(shí)際受力狀態(tài)，選擇了Midas Fea有限元分析軟件，建立橋墩的三維實(shí)體模型。有限元實(shí)體模型按橋墩的實(shí)際構(gòu)造尺寸建立，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，橋墩實(shí)體模型中橋墩高度為8m（橋墩截面變化高度為8m）。底部邊界條件采用完全固結(jié)處理。為提高計(jì)算精度，網(wǎng)格尺寸精細(xì)到0.05m。實(shí)體模型的荷載僅考慮支座的支反力，Midas Civil中提出的支反力以面荷載的方式加載在支座墊石上。

（3）橋墩實(shí)體模型分析結(jié)果。通過Madis Fea的靜力分析功能，得到了橋墩和高差調(diào)整塊在支反力作用下的應(yīng)力云圖，如圖3所示。從圖3的分析結(jié)果可以清楚地看出，高差調(diào)整塊頂面在兩個(gè)支座墊石之間均出現(xiàn)了橫向拉應(yīng)力（即應(yīng)力云圖中的紅色區(qū)域），拉應(yīng)力大小為0.60～1.07MPa，橫橋向拉應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在靠小樁號(hào)側(cè)的裝飾槽位置，最大拉應(yīng)力1.095MPa，這也是實(shí)際開裂最嚴(yán)重的位置，四個(gè)裝飾槽橫向拉應(yīng)力由左向右依次為1.03MPa、0.92MPa、0.91MPa、1.095MPa。

圖3 橋墩實(shí)體模型應(yīng)力云圖

4 裂縫成因

從實(shí)體模型分析結(jié)果來看，高差調(diào)整塊橫橋向會(huì)在支座之間產(chǎn)生受拉區(qū)，且拉應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在裝飾槽拐角處，最大拉應(yīng)力未超過C30混凝土的抗拉強(qiáng)度，理論上不存在開裂的風(fēng)險(xiǎn)。但是，結(jié)合全橋的情況來看，南引橋相同的橋墩并未出現(xiàn)如此嚴(yán)重的開裂情況，查閱了施工資料后發(fā)現(xiàn)，南北引橋?yàn)閮蓚€(gè)不同的標(biāo)段，施工單位不同。

綜合分析檢測(cè)結(jié)果、實(shí)體模型分析結(jié)果和相關(guān)資料后，對(duì)于裂縫的成因分析如下：（1）裝飾槽尺寸較小，施工時(shí)該位置混凝土施工質(zhì)量會(huì)差與其他位置，在施工完成后大概率會(huì)出現(xiàn)微小裂縫；（2）施工時(shí)由于鋼筋網(wǎng)的偏位，導(dǎo)致高差調(diào)整塊頂面鋼筋保護(hù)層過大，使墩身鋼筋無法控制墩身表面裂縫寬度；（3）在運(yùn)營(yíng)期上部結(jié)構(gòu)恒載和活載作用下，高差調(diào)整塊頂部會(huì)產(chǎn)生橫橋向的拉應(yīng)力，在裝飾槽位置拉應(yīng)力最大；（4）在拉應(yīng)力作用下，施工期產(chǎn)生的微小裂縫開始擴(kuò)展，沿裝飾槽往下延伸，最后形成了目前看到的裂縫。

裝飾槽的設(shè)計(jì)是隱患、施工質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)、運(yùn)營(yíng)期拉應(yīng)力是誘導(dǎo)因素。因此，豎向開裂是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果。

5 結(jié)束語

花瓶型橋墩的高差調(diào)整塊在上部結(jié)構(gòu)恒載和運(yùn)營(yíng)期活載作用下，會(huì)在支座之間產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力區(qū)，且設(shè)置裝飾槽增加了施工難度及應(yīng)力集中點(diǎn)，為裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展埋下了隱患。在未來橋梁設(shè)計(jì)過程中，可以優(yōu)化橋墩造型，采取更加平滑的裝飾設(shè)計(jì)，降低裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。